科普：柔性电子技术

2007年第一代苹果手机出现，人们对于手机触屏的各种酷炫操作感到惊艳。触摸屏就是早期的柔性电子技术的一种应用。在2019年春季产品发布会上，苹果公司称自己的iwacth心率测试功能已经获得了FDA的认证。这标志着苹果手表的心率测试精度达到的医学级别。而这个心率分析的技术，也是柔性电子技术的应用。

有很多动画片也采用了柔性电子技术，我们会发现动画角色动作跟真人完全一样。实际上，也确实是真人穿上有传感器的衣服，把各种动作信号输出到计算机中经过处理，就变成了动画人物的栩栩如生的动作了。那么什么是柔性电子呢？

什么是柔性电子

柔性电子，就是把电子器件做到能够变形的材料上的技术。实现可以拉伸、压缩，弯曲等变化。通过运算实现对压力、温度、湿度、光线、声波等外界刺激的实时反应。柔性电子产品最大的亮点，就是可变形。在可变形的前提下，还能够实现各种正常的运算、存储功能。另外柔性电子产品可以做得非常小，小到纳米级别。

美国《科学》杂志把柔性电子技术誉为为2000年的世界十大科技成果之一，与人类基因组草图以及克隆技术并列。足见柔性电子在人类科技发展中的重要位置。现代技术已经能够做到在1平方厘米大小上做出347个电子器件的水平。这种密度已经远远超过了我们肉眼能够分辨的程度。如果用这种材料做成电子产品来监控人体表面的各种生理变化，可以实现高精度地实时监控各种人体数据。那么，柔性电子有哪些特点呢？

柔性电子特点

可变形

柔性电子技术的最大特点就是可变形性。我们传统的电子产品，都是固态的不可变形的。比如电脑上的各种芯片。我们可以把柔性电子看成是一个可以变形的计算机。也就是具有跟电脑一样的运算能力，而且可变形的材料。

高灵敏度的传感器

用柔性电子技术可以实现高灵敏度的传感器的功能。我们的皮肤能够感受到空气的温度，能够感受到疼痛，所以，皮肤实际上就是我们人的“传感器”。我们的鼻子能够闻到味道，眼睛能够看到物体，耳朵能够听到，人体的各种感觉器官就是人的“传感器”。柔性电子也能够起到这样的作用，能够感受到温度的变化，感受到光线、压力、气流、声波的变化。通过柔性电子产品的计算功能，还能够精确测量感受到的信息，比如能够测量距离，计算压力的多少，测出具体的温度等等。所以，柔性电子技术的传感器，是一个可计算的、精确的传感器。

绿色的电子产品

柔性电子技术，可以使用的材料从无机物质到有机物质，非常广泛，而且还能够实现可降解，对环境无害，更加绿色环保。可以与人体更相容，甚至能够植入人体内部，与人的各种器官相安无事，和平共处。在相容的基础上实现对人体的监测和治疗。

纳米级别

柔性电子产品可以做到非常小。斯坦福的柔性电子专家鲍哲南及其团队，在1平方厘米的地方，做了347个电子器件，如果用这样的密度拍摄影片，可以达到高清影像的程度。如此密集的电子器件，能够实现我们各种无法想象的各种功能，比如可以精确模拟我们皮肤的感觉，或者对皮肤的各种生理现象做出反应。我们可以大胆想象，如果喝下这种有一定功能的纳米级别的电子器件，可以随着体液在人体循环，收集人体的各种生理数据，对于诊断治疗有着革命性的意义。

自我驱动

柔性电子产品可以做到非常小，但是有一个问题，就是供电。目前的柔性电子技术，可以把电池做成非常小，而且还能够无线充电，甚至可以降解。哈佛大学把锂离子电池做到一粒沙子大小，这个尺寸比最小的商业电池还要小1000倍。麻省理工学院创造的薄膜，可以吸收水蒸气发电，可以用于驱动微型纳米电子设备。这些技术保证了为柔性电子产品的各种功能提供能量驱动。

跨领域性

柔性电子技术，需要多领域技术和知识，比如生物、塑料、化学、纺织、医学、机械工程、材料、计算机与人工智能等等。柔性电子技术，可以看成是可变形的、微型的、阵列的、生物的计算设备，应用在多领域中。柔性电子材料的多样性和稳定强大的计算能力决定了其广泛的应用领域。

柔性电子产品的应用领域

可穿戴设备

柔性电子的可拉伸变形的特性，非常适合做成可穿戴设备，可以织入布料中。人类穿上柔性电子产品做成的衣服，可以实现对人体各种生理状况的实时监控，对人类的各种行为作出实时的反应。比如用于航天技术上，实时了解各种不同的环境对人体产生的各种影响。可以用在军事中的单兵作战上，从控制中心就能够实时获得身处前线的战士的各种身体指标，战场的各种数据。接收各种通讯数据甚至生理数据。在美国电影《终结者》以及《星球大战》等影片中，都使用了柔性电子产品，模拟人类的各种行为。

健康医疗

柔性电子产品可以在医疗和健康领域有广泛的应用。比如前面我们说到的苹果手表，能够检测心率，获得了FDA认证，达到医疗级的水平。

目前血糖的测试，需要采血，如果使用柔性电子技术，可以用更方便的方式来测试血糖的数据，比如呼吸，或者其他的非创伤方法，直接就能够获得患者的血糖数据。

对于高危的心脏病患者，通过使用柔性电子技术，在人体内部植入可降解超薄的芯片，因为距离心脏更近，所以能够排除各种干扰，更准确地实时采集患者心脏的不同的数据，实现实时监控，及时预防。

采用柔性电子技术中的电子皮肤技术，可以实时测试患者的血压、血氧、心率等数据，这些数据可以通过网络传送到医生的手中，医生可以快速对患者的病情做出反应。还可以模拟人类皮肤的感觉，做成义肢材料等。

日常生活

我们使用的手机屏幕就是使用柔性技术的产品。华为最近推出了可折叠屏幕的手机。各种游戏设备，也大量采用柔性电子技术。

随着技术的进步，柔性电子可以应用到更多的领域。有来自世界各地的科学家们在不断解决各种现有问题，让柔性电子实现在更多领域的应用。

柔性电子领域科学家

约翰·罗杰斯（John A Rogers）

美国西北大学教授，他是材料科学与工程、生物医学工程、机械工程、电子工程和计算机科学、化学和神经外科学教授，同时他还是新成立的生物集成电子学中心的创始主任，美国科学院，工程院，和艺术与科学院三院院士。获得过很多荣誉，包括最近获得的富兰克林奖章，麦克阿瑟天才奖，也获得过很多杰出讲师奖。是100多项专利的发明和申请人，其中有70多项发明已经获得实际的应用。他的研究方向是纳米级别以及分子级别的材料在柔性电子领域的应用，以及柔性电子在生物仿生领域的研究和应用。他还是复旦大学、上海交大以及浙江大学的荣誉教授。

鲍哲南（Zhenan Bao）

美籍华人。斯坦福大学化学工程系教授，2017年升任斯坦福化学工程学院院长。她也是美国国家工程院院士。

在电子皮肤研究领域卓有成效。她的研究在医疗设备、能源存储以及环境领域有广泛的应用前景。

王中林（Zhong Lin Wang）

美籍华人。1987年获得亚利桑那州立大学博士学位，是国际顶尖纳米科学家，中科院外籍院士，佐治亚理工学院终身教授，中科院北京纳米能源与系统研究所所长。

王中林获得2019年获得美国阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖，在所有领域的科学家中排名第15位。

王中林把纳米能源技术、自驱动技术和可穿戴设备结合，开发出了可以自驱动的多功能的，柔性的可穿戴设备。

乔治·玛利亚拉斯（George Malliaras）

剑桥大学教授。玛利亚拉斯教授在有机电子学和生物电子学获得过纽约科学院的Blavatenik奖，研究方向是有机电子在神经接口上的应用，也就是说，用柔性电子技术探索大脑的功能，用于治疗神经障碍和大脑的其他各种疾病。另外他也致力于开发聚合物的可植入设备，用于在人体中精确给药。他在非植入可穿戴设备领域测量人体信息方面也有建树。

陈立东

1981年毕业于湖南大学，1990年获得日本东北大学工程博士。曾经是美国密西根大学物理学访问学者，日本航空宇宙技术研究所特别研究员。日本东北大学金属材料研究所副教授，中科院上海硅酸盐研究所研究员，副所长，高效能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任，亚洲热电联盟主席。

陈立东团队研发了一种在室温条件下具有金属材料的延展性的非金属半导体材料。这个技术，大大扩展了柔性电子产品可用材料的空间。

陈晓东

新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院副院长。从事可程序化材料在能源、柔性电子产品和纳米产品上的应用。把材料与生物医学结合，开发天然产品在柔性电子领域的应用。比如生产与天然的生物性相容的，而且可降解的柔性电子材料，用于可穿戴设备上。

肖建亮

美籍华人，毕业于清华大学力学系，西北大学机械工程博士，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程博士后。现任科罗拉多大学博尔博分校机械工程终身副教授，肖建亮实验室负责人。研究方向，与人体的复杂表面能够相容且密切结合的生物柔性电子技术，这种相容技术可以大大提高电子诊断设备的精确度和即时性。可自修复，可回收的柔性电子技术。纳米材料，薄膜材料及智能软材料。

感谢：本文撰写过程中，得到了美国科罗拉多大学博尔博分校机械工程终身副教授肖建亮的指导。在此表示感谢。

参考资料：

西北大学罗杰斯团队网站 http://rogersgroup.northwestern.edu/

斯坦福鲍哲南团队网站页面 https://baogroup.stanford.edu/

乔治亚材料科学与工程学院王中林团队网站 http://www.nanoscience.gatech.edu/

剑桥大学网站乔治·玛利亚拉斯（George Malliaras）介绍页面 http://www.eng.cam.ac.uk/profiles/gm603

中科院上海硅酸盐研究所网站 http://sourcedb.sic.cas.cn/zw/rck/200906/t20090623_1774714.html

科罗拉多大学博尔博分校肖建亮团队实验室网站 https://spot.colorado.edu/~jixi2362/